唐口煤礦大直徑鉆孔防治沖擊地壓的研究與應(yīng)用

張惟昭 李楊楊

（山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 272055）

作為當(dāng)前沖擊地壓防治的主要措施之一，大直徑鉆孔卸壓技術(shù)成為唐口煤礦防治沖擊地壓的重要手段。大直徑鉆孔卸壓技術(shù)能夠降低巷道圍巖應(yīng)力值峰值及應(yīng)力集中區(qū)范圍，同時能夠?qū)?yīng)力集中區(qū)向巷幫深處轉(zhuǎn)移，使巷道圍巖原應(yīng)力集中區(qū)變?yōu)閼?yīng)力降低區(qū)，起到卸壓的效果。

1 大直徑鉆孔卸壓機理研究

1.1 大直徑鉆孔周邊應(yīng)力分布

現(xiàn)場監(jiān)測表明，當(dāng)鉆孔深度大于其半徑20倍時，鉆孔應(yīng)力受孔周煤巖體自重的影響微乎其微。假設(shè)鉆孔處圍巖性質(zhì)相同，且原巖應(yīng)力為靜水等壓狀態(tài)即原巖應(yīng)力為各向等壓。此時在煤體中施工一半徑為ra的鉆孔，根據(jù)彈性力學(xué)公式可得鉆孔周圍的應(yīng)力分布如圖1所示。

由圖1得出，鉆孔圍巖為受壓縮狀態(tài)，圍巖的泊松比及彈性常數(shù)對其受壓程度沒有影響。鉆孔圍巖切向應(yīng)力為最大主應(yīng)力，軸向應(yīng)力為最小主應(yīng)力，其分布方向不受角度影響。鉆孔周邊最大應(yīng)力的集中程度不受孔徑影響。假如初始地應(yīng)力大小超過鉆孔圍巖的彈性極限，圍巖即由彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)。鉆孔任意處圍巖切向應(yīng)力與軸向應(yīng)力之和為一定值，大小為兩倍初始地應(yīng)力。

圖1 鉆孔在雙向等壓應(yīng)力場中周圍應(yīng)力分布

1.2 大直徑鉆孔圍巖破壞過程

煤層在實施大直徑鉆孔之后，鉆孔圍巖的變形破壞過程可以分為兩個階段。

根據(jù)現(xiàn)場觀察，大直徑鉆孔施工后圍巖開始變形破壞，進入第一階段。如圖2所示，此階段孔周圍巖由內(nèi)而外可依次劃分為破裂區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)。起到卸壓效果的主要區(qū)域為破裂區(qū)。

圖2 鉆孔圍巖破壞狀態(tài)分區(qū)

隨著時間的推移，鉆孔周圍塑性區(qū)和破碎區(qū)變形量增加，其強度進一步減小，當(dāng)其承載力小于圍巖應(yīng)力后，鉆孔處出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，原破碎區(qū)煤體掉落并逐漸填滿自由空間，同時對新破碎區(qū)邊界產(chǎn)生一定的支撐力。當(dāng)塌落區(qū)支撐力同破裂區(qū)壓力相等時，鉆孔區(qū)域受力平衡，進入第二階段，如圖2所示。

1.3 大直徑鉆孔防沖機理分析

為了定量評價大直徑鉆孔卸壓效果，采用鉆孔耗能率指標(biāo)進行表征，即施工單位長度鉆孔的耗散能量與其施工前彈性應(yīng)變能的比值。對于相同條件煤巖體，鉆孔耗能率越高，鉆孔消耗能量占之前彈性積聚能比例越大，剩余彈性能越小，達到減小沖擊地壓發(fā)生概率或沖擊能量的目的。

采用FLAC3D軟件研究煤層中鉆孔前后圍巖彈性應(yīng)變能的變化。定義模型鉆孔直徑200mm，煤層垂直應(yīng)力18MPa，側(cè)壓力系數(shù)1.5，采用應(yīng)變軟化型本構(gòu)。記錄圍巖水平、垂直方向應(yīng)力及彈性應(yīng)變能如圖3所示。

大直徑鉆孔開挖后，無論水平方向還是垂直方向，應(yīng)變能分布趨勢同相應(yīng)方向水平應(yīng)力分布相同，即水平方向上不存在集中現(xiàn)象而在垂直方向上出現(xiàn)集中；水平方向上應(yīng)變能較開挖之前有所減小，且其差值隨與鉆孔距離的增大而減小。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析得出：（1）鉆孔圍巖應(yīng)力調(diào)整過程中，最大主應(yīng)力（水平應(yīng)力）對圍巖彈性應(yīng)變能的影響起主導(dǎo)作用。（2）以鉆孔耗能率為評價指標(biāo)，對比Φ100mm鉆孔直徑，Φ150mm鉆孔耗能效果將近其3倍左右，Φ200mm鉆孔耗能效果超過其6倍。

圖3 圍巖應(yīng)力及彈性應(yīng)變能分布

2 大直徑鉆孔施工效果分析

2.1 鉆孔煤粉量變化分析

現(xiàn)場施工大孔徑鉆孔頻繁遇到吸鉆、卡鉆、丟鉆桿的問題，而鉆孔深度對其排粉量有巨大的影響。在煤幫低應(yīng)力區(qū)處的大直徑鉆孔排屑主要是鉆孔孔徑范圍空間的煤粉，在煤幫內(nèi)部高應(yīng)力集中處由于卡鉆等問題會造成排粉困難，因此，低排粉說明煤體應(yīng)力釋放效果差。

于唐口礦3313工作面軌道順槽兩順槽超前120m范圍施工20m深度的大直徑卸壓鉆孔，鉆孔孔徑為Φ150mm，鉆孔間距為0.8m，單排布置。根據(jù)其煤粉量及吸、卡、跳鉆等動力現(xiàn)象，來測定采空區(qū)側(cè)向支撐壓力影響范圍。

圖4 工作面大直徑鉆孔實測情況圖

由圖4可見，大直徑鉆孔平均9～20m深度上出現(xiàn)動力異?，F(xiàn)象，主要表現(xiàn)為煤粉量異常、煤炮聲響及卡鉆、吸鉆現(xiàn)象。根據(jù)上述反映可以判斷，大直徑鉆孔施工過程中，對高應(yīng)力區(qū)的煤體產(chǎn)生了擾動破壞，使其集中彈性能以煤粉增加、聲響等方式釋放，有助于降低煤體內(nèi)沖擊地壓危險。另外，由眾多大直徑鉆孔煤粉及動力現(xiàn)象的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，在沿空側(cè)巷道煤體內(nèi)，距巷幫9m之后，應(yīng)力明顯增高，該區(qū)域應(yīng)為受側(cè)向采空區(qū)影響，應(yīng)力分布較為集中，可見對于留設(shè)小煤柱的沿空巷道，在實體煤側(cè)的巷道幫其沖擊危險相對較高。

2.2 鉆孔卸壓區(qū)域應(yīng)力演化分析

由沖擊地壓啟動理論知，無論是巷道沖擊地壓還是采場沖擊地壓，圍巖極限平衡區(qū)集中靜載荷是沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)因，是根源。因此對于沖擊地壓解危來說核心是探索到采動圍巖的集中靜載荷區(qū)。為此，在大范圍區(qū)域防范措施的前提下，針對局部危險區(qū)域進行大直徑鉆孔卸壓，并安裝鉆孔應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備對大直徑鉆孔施工之后的應(yīng)力分布進行研究。

圖5 皮順第13組應(yīng)力計

如圖5為第13組深孔應(yīng)力計，10月26日距面88m應(yīng)力呈升高趨勢，11月10日應(yīng)力達到峰值18.5MPa，共增幅9.5MPa，平均增幅0.6MPa/d。應(yīng)力在線報警之后，立刻進行了大直徑鉆孔卸壓，應(yīng)力下降非常明顯，卸壓施工5d后，應(yīng)力開始回升，深部應(yīng)力計恢復(fù)到10MPa左右。

從唐口煤礦大直徑鉆孔的實施效果來看，煤體的卸壓效果比較明顯，尤其是在應(yīng)力在線監(jiān)測預(yù)警之后，應(yīng)力能夠迅速降低，之后會有所反彈，但仍然低于應(yīng)力最高值。說明大直徑鉆孔在卸壓后，存在一定的時效性，因此當(dāng)應(yīng)力反彈后，應(yīng)當(dāng)進行二輪卸壓或多輪卸壓。

2.3 大直徑鉆孔破壞情況分析

根據(jù)大直徑鉆孔的卸壓時機，可以將鉆孔施工分為兩類：一類是在已形成的靜態(tài)超前支承壓力區(qū)或應(yīng)力集中區(qū)施工鉆孔，即“先來壓，后鉆孔”，鉆孔是在靜態(tài)的集中應(yīng)力作用下發(fā)生變形；一類是在巷道掘進初期，進行大直徑鉆孔施工，鉆孔將先后經(jīng)歷原巖應(yīng)力和采動應(yīng)力作用，即“先鉆孔，后來壓”，鉆孔是在動態(tài)的超前支承壓力作用下發(fā)生變形。唐口礦目前施工的大直徑鉆孔以第二類為主，因此，針對后者的鉆孔變形機制研究更加具有實用價值。

使用鉆孔變形監(jiān)測裝置對唐口礦6307工作面軌道巷巷幫的大直徑卸壓鉆孔進行了4個月的變形監(jiān)測。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉆孔在實體煤中鉆進完成后，其變形可分為三個階段：鉆孔塑性區(qū)形成階段、鉆孔彈塑性區(qū)調(diào)整階段和變形穩(wěn)定階段，且巷道圍巖塑性區(qū)內(nèi)的鉆孔具有典型的“三階段”特征，如圖6所示。

圖6 三階段變形曲線

第一階段（鉆孔塑性區(qū)形成階段）：即大直徑鉆孔的表面變形破壞的形成過程。當(dāng)鉆孔完成開挖時，鉆孔圍巖淺表將經(jīng)歷由彈性應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詰?yīng)力狀態(tài)的過程，由圖6可見，該過程持續(xù)約3～4d，變形曲線的斜率相對較大，且深部圍巖（10m左右）變形速率明顯高于淺部圍巖（4m左右）的變形速率。說明鉆孔塑性區(qū)形成階段具有持續(xù)時間短、圍巖徑向變形快、深部快于淺部的特點，鉆孔收縮率可在數(shù)日之內(nèi)達到5%～10%。

第二階段（鉆孔彈塑性區(qū)調(diào)整階段）：鉆孔圍巖形成彈塑性分區(qū)之后將進行一定時間的應(yīng)力分布調(diào)整，該階段鉆孔緩慢變形、縮孔，鉆孔周圍裂隙不斷發(fā)育，2～3個月后鉆孔收縮率基本穩(wěn)定在10%～30%之間?？梢?，第二階段相對第一階段持續(xù)時間更長，鉆孔收縮量更大，收縮速度則相對較小。

第三階段（變形穩(wěn)定階段）：在鉆孔圍巖經(jīng)歷了第一和第二兩個階段的演化和調(diào)整后鉆孔收縮基本停止，鉆孔圍巖進入穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

上述鉆孔變形的監(jiān)測均是在巷道掘進完成后一段時期的監(jiān)測結(jié)果，并未受到其他采動影響?？梢?，大直徑卸壓鉆孔在施工完成后并非恒處于收縮過程，而是經(jīng)歷一定的時間和過程后即進入穩(wěn)定狀態(tài)，在不受外界擾動的情況下該穩(wěn)定狀態(tài)具有可持續(xù)性。根據(jù)唐口煤礦地質(zhì)條件，鉆孔收縮變形的時間約為2～3個月，變形量最大為鉆孔空間的30%，當(dāng)周邊存在采掘活動時，采動應(yīng)力的疊加將進一步使得鉆孔發(fā)生變形破壞，從而耗散煤體內(nèi)積聚的彈性能，起到卸壓的效果。

3 結(jié)論

從能量角度來看，鉆孔施工過程中，鉆孔周邊發(fā)生塑性破壞，起到了耗散煤體中彈性應(yīng)變能的作用，使得卸壓區(qū)域的彈性應(yīng)變能降低，從而降低了該區(qū)域的沖擊危險。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，大直徑鉆孔在施工過程中，其煤粉量變化、吸鉆、卡鉆現(xiàn)象及煤炮聲響都反映了煤體內(nèi)的應(yīng)力變化，因此，通過分析其施工過程中的表現(xiàn)情況，確定沿空巷道的應(yīng)力峰值在9m深。該研究結(jié)論可以作為類似存在沖擊危險性煤層開采的參考依據(jù)。